Menjelang pertengahan abad ke-20, konsep "zoo zarah" muncul dalam fizik, yang bermaksud pelbagai juzuk asas jirim, yang ditemui oleh saintis selepas pemecut yang cukup berkuasa dicipta. Salah satu daripada penduduk "zoo" yang paling ramai adalah objek yang dipanggil meson. Keluarga zarah ini, bersama-sama dengan baryon, termasuk dalam kumpulan besar hadron. Kajian mereka memungkinkan untuk menembusi ke tahap yang lebih mendalam dalam struktur jirim dan menyumbang kepada susunan pengetahuan mengenainya ke dalam teori moden zarah asas dan interaksi - Model Standard.
Sejarah penemuan
Pada awal 1930-an, selepas komposisi nukleus atom dijelaskan, persoalan timbul tentang sifat kuasa yang memastikan kewujudannya. Jelas sekali bahawa interaksi yang mengikat nukleon mestilah sangat sengit dan dilakukan melalui pertukaran zarah tertentu. Pengiraan yang dilakukan pada tahun 1934 oleh ahli teori Jepun H. Yukawa menunjukkan bahawa objek ini adalah 200–300 kali lebih besar daripada jisim elektron dan,masing-masing, beberapa kali lebih rendah daripada proton. Kemudian mereka menerima nama mesons, yang dalam bahasa Yunani bermaksud "tengah". Walau bagaimanapun, pengesanan langsung pertama mereka ternyata "misfire" kerana kedekatan jisim zarah yang sangat berbeza.
Pada tahun 1936, objek (ia dipanggil mu-meson) dengan jisim yang sepadan dengan pengiraan Yukawa ditemui dalam sinar kosmik. Nampaknya kuantum tenaga nuklear yang dicari telah ditemui. Tetapi kemudian ternyata mu-meson adalah zarah yang tidak berkaitan dengan interaksi pertukaran antara nukleon. Mereka, bersama-sama dengan elektron dan neutrino, tergolong dalam kelas objek lain dalam mikrokosmos - lepton. Zarah itu dinamakan semula sebagai muon dan pencarian diteruskan.
Yukawa quanta hanya ditemui pada tahun 1947 dan dipanggil "pi-meson", atau pion. Ternyata pi-meson bercas elektrik atau neutral sememangnya zarah yang pertukarannya membolehkan nukleon wujud bersama dalam nukleus.
Struktur meson
Ia menjadi jelas hampir serta-merta: peonies datang ke "zoo zarah" bukan sahaja, tetapi dengan ramai saudara mara. Walau bagaimanapun, ia adalah disebabkan oleh bilangan dan kepelbagaian zarah ini bahawa ia adalah mungkin untuk menentukan bahawa ia adalah gabungan sebilangan kecil objek asas. Kuark ternyata menjadi elemen struktur sedemikian.
Meson ialah keadaan terikat quark dan antiquark (sambungan dilakukan melalui kuanta interaksi kuat - gluon). Caj "kuat" quark ialah nombor kuantum, secara konvensional dipanggil "warna". Walau bagaimanapun, semua hadrondan meson di antaranya, tidak berwarna. Apakah maksudnya? Meson boleh dibentuk oleh quark dan antiquark dari jenis yang berbeza (atau, seperti yang mereka katakan, perisa, "rasa"), tetapi ia sentiasa menggabungkan warna dan antiwarna. Contohnya, π+-meson dibentuk oleh sepasang u-quark - anti-d-quark (ud̄), dan gabungan cas warnanya boleh menjadi "biru - anti- biru", "merah - anti-merah" atau hijau-anti-hijau. Pertukaran gluon mengubah warna kuark, manakala meson kekal tidak berwarna.
Kuar-kuar generasi lama, seperti s, c dan b, memberikan rasa yang sepadan dengan meson yang terbentuk - keanehan, daya tarikan dan daya tarikan, yang dinyatakan oleh nombor kuantum mereka sendiri. Caj elektrik integer meson terdiri daripada cas pecahan zarah dan antizarah yang membentuknya. Selain pasangan ini, dipanggil kuark valens, meson merangkumi banyak pasangan maya ("laut") dan gluon.
Meson dan daya asas
Mesons, atau lebih tepatnya, quark yang membentuk mereka, mengambil bahagian dalam semua jenis interaksi yang diterangkan oleh Model Standard. Keamatan interaksi secara langsung berkaitan dengan simetri tindak balas yang disebabkan olehnya, iaitu, dengan pemuliharaan kuantiti tertentu.
Proses yang lemah adalah yang paling tidak sengit, ia menjimatkan tenaga, cas elektrik, momentum, momentum sudut (putaran) – dengan kata lain, hanya simetri sejagat yang bertindak. Dalam interaksi elektromagnet, pariti dan nombor kuantum rasa meson juga dipelihara. Ini adalah proses yang memainkan peranan penting dalam tindak balaspereputan.
Interaksi kuat adalah yang paling simetri, mengekalkan kuantiti lain, khususnya, isospin. Ia bertanggungjawab untuk pengekalan nukleon dalam nukleus melalui pertukaran ion. Dengan memancarkan dan menyerap pi-meson bercas, proton dan neutron mengalami perubahan bersama, dan semasa pertukaran zarah neutral, setiap nukleon kekal sendiri. Cara ini boleh diwakili pada tahap kuark ditunjukkan dalam rajah di bawah.
Interaksi kuat juga mengawal penyebaran meson oleh nukleon, pengeluarannya dalam perlanggaran hadron dan proses lain.
Apakah itu kuarkonium
Gabungan quark dan antiquark dengan rasa yang sama dipanggil quarkonia. Istilah ini biasanya digunakan untuk meson yang mengandungi c- dan b-quark yang besar. T-quark yang sangat berat tidak mempunyai masa untuk memasuki keadaan terikat sama sekali, serta-merta mereput menjadi lebih ringan. Gabungan cc̄ dipanggil charmonium, atau zarah dengan daya tarikan tersembunyi (J/ψ-meson); gabungan bb̄ ialah bottomonium, yang mempunyai daya tarikan tersembunyi (Υ-meson). Kedua-duanya dicirikan oleh kehadiran banyak keadaan bergema - teruja.
Zarah yang dibentuk oleh komponen ringan - uū, dd̄ atau ss̄ - ialah superposisi (superposisi) perisa, memandangkan jisim quark ini mempunyai nilai yang hampir. Oleh itu, neutral π0-meson ialah superposisi bagi keadaan uū dan dd̄, yang mempunyai set nombor kuantum yang sama.
Ketidakstabilan meson
Gabungan zarah dan antizarah menghasilkanbahawa kehidupan mana-mana meson berakhir dengan kemusnahan mereka. Jangka hayat bergantung pada interaksi yang mengawal pereputan.
- Meson yang mereput melalui saluran penghapusan "kuat", katakan, menjadi gluon dengan kelahiran meson baru yang berikutnya, tidak hidup terlalu lama - 10-20 - 10 - 21 hlm. Contoh zarah tersebut ialah quarkonia.
- Pemusnahan elektromagnet juga agak sengit: jangka hayat π0-meson, yang pasangan quark-antiquarknya musnah menjadi dua foton dengan kebarangkalian hampir 99%, adalah kira-kira 8 ∙ 10 -17 s.
- Pemusnahan yang lemah (reput menjadi lepton) berlaku dengan intensiti yang lebih rendah. Oleh itu, pion bercas (π+ – ud̄ – atau π- – dū) hidup agak lama – secara purata 2.6 ∙ 10-8 s dan biasanya mereput menjadi muon dan neutrino (atau antizarah yang sepadan).
Kebanyakan meson ialah apa yang dipanggil resonans hadron, fenomena jangka pendek (10-22 – 10-24 c) yang berlaku dalam julat tenaga tinggi tertentu, serupa dengan keadaan teruja atom. Ia tidak didaftarkan pada pengesan, tetapi dikira berdasarkan keseimbangan tenaga tindak balas.
Putaran, momentum orbit dan pariti
Tidak seperti baryon, meson ialah zarah asas dengan nilai integer nombor putaran (0 atau 1), iaitu boson. Kuark ialah fermion dan mempunyai putaran separuh integer ½. Jika momen momentum quark dan antiquark adalah selari, maka momennyajumlah - putaran meson - sama dengan 1, jika antiselari, ia akan sama dengan sifar.
Disebabkan oleh peredaran bersama sepasang komponen, meson juga mempunyai nombor kuantum orbit, yang menyumbang kepada jisimnya. Momentum orbit dan putaran menentukan jumlah momentum sudut zarah, yang dikaitkan dengan konsep ruang, atau pariti P (simetri tertentu fungsi gelombang berkenaan dengan penyongsangan cermin). Selaras dengan gabungan putaran S dan dalaman (berkaitan dengan kerangka rujukan zarah sendiri) pariti P, jenis meson berikut dibezakan:
- pseudoscalar - paling ringan (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Tiga jenis terakhir ialah meson yang sangat besar, iaitu keadaan bertenaga tinggi.
Simetri isotop dan kesatuan
Untuk pengelasan meson adalah mudah untuk menggunakan nombor kuantum khas - putaran isotop. Dalam proses yang kuat, zarah dengan nilai isospin yang sama mengambil bahagian secara simetri, tanpa mengira cas elektriknya, dan boleh diwakili sebagai keadaan cas yang berbeza (unjuran isospin) bagi satu objek. Satu set zarah sedemikian, yang jisimnya sangat rapat, dipanggil isomultiplet. Sebagai contoh, isotriplet pion termasuk tiga keadaan: π+, π0 dan π--meson.
Nilai isospin dikira dengan formula I=(N–1)/2, dengan N ialah bilangan zarah dalam gandaan. Oleh itu, isospin pion adalah sama dengan 1, dan unjurannya Iz dalam caj khasruang masing-masing ialah +1, 0 dan -1. Empat meson pelik - kaon - membentuk dua isodoblet: K+ dan K0 dengan isospin +½ dan keanehan +1 dan doublet antizarah K- dan K̄0, yang mana nilai ini adalah negatif.
Caj elektrik hadron (termasuk meson) Q berkaitan dengan unjuran isospin Iz dan apa yang dipanggil hypercharge Y (jumlah nombor baryon dan semua rasa nombor). Hubungan ini dinyatakan oleh formula Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Adalah jelas bahawa semua ahli satu gandaan mempunyai hypercharge yang sama. Bilangan baryon meson ialah sifar.
Kemudian, meson dikumpulkan dengan putaran dan pariti tambahan ke dalam supermultiplet. Lapan meson pseudoscalar membentuk oktet, zarah vektor membentuk nonet (sembilan), dan seterusnya. Ini ialah manifestasi simetri tahap lebih tinggi yang dipanggil unitari.
Mesons dan pencarian Fizik Baharu
Pada masa ini, ahli fizik sedang giat mencari fenomena, penerangan mengenainya akan membawa kepada pengembangan Model Standard dan melangkauinya dengan pembinaan teori dunia mikro yang lebih mendalam dan umum - Fizik Baharu. Diandaikan bahawa Model Standard akan memasukkannya sebagai kes terhad dan tenaga rendah. Dalam carian ini, kajian tentang meson memainkan peranan penting.
Yang menarik adalah meson eksotik - zarah dengan struktur yang tidak sesuai dengan rangka model biasa. Jadi, di Hadron BesarCollider pada 2014 mengesahkan Z(4430) tetraquark, keadaan terikat dua pasang ud̄cc̄ quark-antiquark, hasil pereputan perantaraan meson B yang cantik. Pereputan ini juga menarik dari segi kemungkinan penemuan kelas zarah baharu hipotesis - leptoquark.
Model juga meramalkan keadaan eksotik lain yang harus diklasifikasikan sebagai meson, kerana mereka mengambil bahagian dalam proses yang kuat, tetapi mempunyai nombor baryon sifar, seperti bebola gam, yang dibentuk hanya oleh gluon tanpa kuark. Semua objek sedemikian boleh menambah pengetahuan kita dengan ketara tentang sifat interaksi asas dan menyumbang kepada perkembangan selanjutnya fizik dunia mikro.
